استخراج معدن؛ معرفی و تاریخچه

به طور کلی، استخراج معدن، فرآیند پس از حفاری معادن در طی معدنکاری است که به برداشت مواد معدنی مورد نیاز بشر منجر می شود. در طی این فرایند مواد معدنی مورد هدف، با کمترین میزان سنگ های زائد از پوسته زمین استخراج می گردند.
مطالعات و بررسی های انجام شده در این زمینه، حاکی از آن است که بشر از حدود 4000 سال پیش از میلاد در پی استفاده و بهره برداری از سنگ ها وکانسارها بوده است. نخستین عملیات معدنکاری و استخراج، توسط مصریان حدود 3400 سال پیش از میلاد، جهت بهره برداری سنگ فیروزه در منطقه سینا پنینسولا صورت گرفته است. پس از آن، عملیات گوناگون معدنکاری، جهت استخراج فلزاتی از قبیل طلا، نقره، آهن، سرب در نقاط مختلف جهان انجام شده است.

معدنکاران قدیمی، در گذشته از روش های ابتدایی مانند استفاده از استخوان، چوب، سنگ و روش آتش افروزی جهت استخراج معدن بهره می برده اند. برخی از این روش ها از جمله روش آتش افروزی و خرد کردن سنگ ها، تا اواسط قرن نوزدهم نیز ادامه یافته است. با گذشت زمان، اختراع باروت و مواد منفجره باعث ایجاد انقلابی عظیم در استخراج معادن گردید. پس از اختراع دینامیت توسط نوبل، روش هایی مانند انفجار دینامیت و استفاده از ترکیب نیتروگلیسیرین و نیتروسلولز توسط معدنکاران جهت استخراج مواد معدنی رواج زیادی یافت و پیشرفت چشمگیری در صنعت معدنکاری حاصل گردید.

ورود آب به معادن، یکی از مشکلات بسیار مهم و رایج در معادن زیرزمینی محسوب می شد تا این که جیمز وات در قرن 18 موتور بخار را اختراع کرد. از آن زمان تا کنون، از پمپ های بخار برای حذف آب از معادن عمیق امروزی استفاده می شود. سرانجام با اختراع مته های مکانیکی در سال 1813 و پیشرفت های فراوان پس از آن، این صنعت توسعه یافته و معدنکاری و استخراج معدن به شکل امروزی رواج یافت.

استخراج معدن، چهارمین مرحله از مراحل پنجگانه معدنکاری می باشد. به طور کلی فرایند معدنکاری شامل مراحل زیر می باشد:
1) عملیات جستجو (Prospecting)
2) اکتشاف معدن (Exploration)
3) عملیات آماده سازی (Development)
4) استخراج معدن (Exploitation)
5) بازسازی و احیا معدن (Reclamation)

محققان، روش های طبقه بندی گوناگونی را جهت تقسیم بندی روش های استخراج معدن ارائه داده اند. برخی از آنها روش های استخراج را با توجه به نوع ماده معدنی، به دو دسته استخراج مواد فلزی و غیر فلزی تقسیم بندی نموده اند. برخی دیگر سنجش عمق نسبی معدن را معیاری جهت تقسیم بندی روش های استخراج قرار داده اند. همچنین برخی دیگر از محققان نیز، اندازه و شکل ذخیره مواد معدنی در معادن را که شامل دو دسته رگه ای و توده ای است معیار مناسبی برای طبقه بندی می دانند. از جمله متداول ترین روش های طبقه بندی، می توان به روش هارتمن (Hartman) اشاره کرد.

امروزه در سراسر جهان، تکنیک ها و روش های استخراج معدن را در دو گروه زیر جای می دهند:
-روش استخراج سطحی
-روش استخراج زیر سطحی (زیرزمینی)
همچنین مواد معدنی مورد هدف را می توان به دو دسته کلی تقسیم بندی کرد. اولین دسته، رسوبات برجای مانده یا اصطلاحا ذخایر پلاسری هستند. این دسته، شامل مواد معدنی ارزشمندی است که در شن‌های رودخانه، شن‌های ساحلی و و رسوبات لود (lode deposits) موجود می باشند. رسوبات لود به مواد معدنی گفته می شود که در رگه‌ ها، لایه‌ ها و یا دانه ‌های معدنی که به‌ طور کلی در توده های تخته سنگ ها پراکنده شده اند. هر دو نوع کانسار معدنی شامل پلاسر و یا لود، به هر دو روش سطحی و زیرسطحی، قابل استخراج می باشند.
برخی از مواد، مانند بسیاری از عناصر کمیاب در پوسته زمین و اورانیوم، با روش‌ های غیرمتداولی از جمله شستشوی درجا استخراج می گردند. تمایز این روش با سایر روش ها در آن است که در روش شستشوی درجا، هیچ گونه نیازی به حفاری معدن چه در سطح و چه در زیر سطح زمین نمی باشد. به کمک این روش، تنها می توان مواد محلول در آب مانند پتاس، پتاسیم کلرید، سدیم کلرید، و سدیم سولفات را استخراج نمود.

مطالعه بیشتر: امروزه تعداد زیادی از افراد به دنبال خرید معدن و سرمایه گذاری هستند. جهت کسب اطلاعات و تعیین نرخ قانونی با کارشناسان آرمیکو همراه باشید.

امروزه از رایج ترین و متداول ترین روش های استخراج معدن، استخراج سطحی می باشد. حدود ۸۵٪ از مواد معدنی در کشور آمریکا به جز نفت و گاز طبیعی به این روش استخراج می‌شوند. این تکنیک در اواسط قرن شانزدهم مورد استفاده قرار گرفت. معادن سطحی در طول قرن بیستم در آمریکای شمالی، از محبوبیت زیادی برخوردار گشت؛ به گونه ای که هم اکنون در ایالات متحده بیشتر از معادن سطحی، زغال سنگ مورد نیاز این کشور را استخراج و تولید می کنند.

در روش استخراج سطحی، به منظور دستیابی به ذخایر سنگ معدن، پوشش گیاهی سطحی منطقه و گل و لای و همچنین لایه ‌های سنگ بستر برداشته می ‌شوند. در بیشتر معادن سطحی، از ماشین آلات سنگین، برای این امر استفاده می شود. در مرحله بعد، از دستگاه های بزرگی مانند بیل ‌های دراگلین و یا بیل ‌های مکانیکی چرخ سطلی ، جهت استخراج مواد معدنی استفاده می شود.

از جمله مزایای استخراج معدن به روش های سطحی می توان به موارد زیر اشاره نمود:
-صرفه بالای اقتصادی و هزینه های مالی کمتر:
با احتساب تمامی هزینه های ناشی از آن، این روش، به دلیل محدودیت های کمتر نسبت به روش های زیرسطحی و … نیازمند سرمایه و بودجه کمتری برای انجام فرایند های حفاری و استخراج می باشد.
– ایمن تر بودن نسبت به روش های استخراج زیرزمینی :
علت آن است که تمام فرایند استخراج در بالای سطح زمین انجام می گیرد و در نتیجه تلفات و خطرات کمتری انسان را تهدید می کند.
از جمله معایب این روش، خطراتی است که به دلیل آلودگی های زیست محیطی برای سلامت انسان و محیط زیست ایجاد می کند. تخریب زیستگاه، آلودگی هوا، آلودگی آب ها، آلودگی صوتی ایجاد شده، بیماری های قلبی و عروقی همگی از اثرات منفی استفاده از این روش ها می باشند.

انواع متد های استخراج سطحی شامل موارد زیر می باشند:

استخراج معدن به روش روباز، از جمله روش های استخراج سطحی است که در آن، مواد معدنی از یک گودال روباز حفر شده در زمین استخراج می شوند. امروزه این روش استخراج متداول ترین روش استخراج سطحی است که در سراسر جهان برای استخراج مواد معدنی مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش، نیازی به استفاده از متد های استخراجی تونلی نمی باشد. این تکنیک استخراج سطحی، زمانی مورد استفاده قرار می گیرد که ذخایر معدنی یا سنگ معدن مورد نظر، تقریبا نزدیک به سطح زمین یافت شود.

معادن روباز بسته به اندازه ماشین آلات مورد استفاده برای حفاری گودال هایی با قطر متفاوت بین چهار تا شصت متر حفر می شوند. دیواره‌ های اکثر معادن روباز به صورت زاویه‌دار حفر می شود و شامل قسمت هایی برای جلوگیری از وقوع ریزش دیواره در حین عملیات است. قسمت شیب دار دیواره را batter و قسمت صاف آن را berm می‌نامند. در برخی از موارد، حفرات آب‌گیری به صورت افقی در دیواره ها حفر می گردند تا از افزایش فشار آب جلوگیری نمایند. این کار اگر به درستی مورد توجه قرار نگیرد، می‌تواند منجر به تخریب ساختار دیواره ها شود.

یک مسیر حمل و نقل در کنار گودال ایجاد می شود تا یک سطح شیبدار برای کامیون های حمل سنگ تشکیل شود. این کار به سهولت حمل تجهیزات به محل عملیات و نیز نقل و انتقال مواد معدنی از معدن کمک شایانی می کند. پس از ایجاد زیرساخت های فیزیکی معدن، فعالیت های معدنکاری شامل حفاری، انفجار، استخراج، بارگیری و حمل سنگ معدن شکسته شده آغاز می گردد.

مطالعه بیشتر: در این استخراج از ماشین آلاتی مانند بیل مکانیکی نیز استفاده می‌شود.

سنگ های باطله در نزدیکی دهانه گودال انباشته می شوند و به صورت افقی و عمودی انباشته می گردند. این محل تحت عنوان “محل انباشت باطله” شناخته می شود. محل انباشت باطله، اغلب پلکانی شکل می باشد تا از ریزش سنگ ها به قسمت های دیگر منطقه عملیات جلوگیری شود. سنگ معدن فرآوری شده، که تحت عنوان سنگ باطله نیز شناخته می شود، به یک قسمت ته نشینی پمپ می شود تا فرایند تبخیر آب به درستی صورت گیرد. این سنگ های باطله معمولا به دلیل وجود مواد معدنی سولفیدی خارج نشده سمی هستند.

از جمله موادی که می توان به کمک این روش از معادن روباز استخراج نمود، شامل موارد زیر هستند:
-خاک رس
-طلا و نقره
-مس
-الماس
-سنگ گرانیت
-گچ
-سنگ مرمر
-آهن
-سنگ آهک
-مولیبدن
-اورانیوم
-فسفات
-زغال سنگ و …

پس از اتمام عملیات استخراج معدن، منطقه تحت عملیات باید برای به حداقل رساندن میزان آلودگی های زیست محیطی بازسازی شود. این مرحله در فرآیند استخراج معدن برای تضمین پایداری زمین برای استفاده مجدد در آینده بسیار حائز اهمیت می باشد. در این مرحله، ابتدا دفن زباله های معدنی به منظور صاف کردن شکل آن ها انجام می شود. اگر سنگ معدن حاوی مقادیر سولفید باشد، آن را با لایه ای از خاک رس می پوشانند تا از اکسید شدن سولفیدها در مجاورت باران و نیز اکسیژن و تبدیل آن به اسید سولفوریک جلوگیری شود. این مرحله، به زهکشی اسیدی معدن نیز معروف است.
سپس محل انباشت زباله های معدنی را با خاک می پوشانند و با کاشت پوشش گیاهی آن را مدفون می سازند و سپس محوطه را فنس کشی می کنند تا از خوردن گیاهان تازه کاشته شده توسط دام ها جلوگیری شود. این لایه در نهایت فرسایش می یابد، اما در این میان، با گذشت زمان باعث انجام فرایند شسته شدن فلزات سنگین می شود که در نهایت به جذب آن ها توسط محیط منجر می شود.گودال روباز نیز برای جلوگیری از دسترسی حصارکشی می شود و به مرور زمان از آب های زیرزمینی پر می شود.

-سهولت استفاده از این روش برای تولید انبوه
– توانایی استخراج انتخابی برای عیارهای معین سنگ معدن مورد نظر
-تعداد نیروی کار کمتر در مقایسه با سایر روش ها
– بدون محدودیت در انتخاب ماشین آلات و امکان استفاده از ماشین آلات سنگین
– تخلیه آسان آب زیر سطح
– سرمایه و هزینه های عملیاتی کمتر

معمولا فرایند استخراج معدن به روش کواری، جهت استخراج سنگ ها و مصالح ساختمانی که شامل ماسه، گرانیت، سنگ لاشه، شن، سنگ های آذرین، سنگ آهک و سنگ مرمر می باشند، انجام می شود. در این روش، عملیات استخراج بسیار مشابه روش استخراج روباز می باشد؛ با این تفاوت که در این روش، از مواد منفجره جهت خرد کردن مواد استفاده نمی شود. استفاده از مواد منفجره در این روش، صرفا برای ایجاد سطح آزاد کاربرد دارد.
باید بدانیم، استفاده از روش کواری برای استخراج معدن، در مورد انواع مصالح لایه ای و توده ای متفاوت است. در این روش مصالح لایه ای را به صورت پله هایی با شیب تند یا قائم استخراج می کنند ولی مصالح توده ای مانند سنگ آهک معمولی و سنگ های آذرین را به روش آتش افروزی و با استفاده از دستگاه سیم برش استخراج می کنند. جهت استخراج مصالح نرم، می توان از بیل های مکانیکی، لودر و بولدوزر استفاده نمود.

این روش از استخراج معدن، معمولا جهت استخراج و بهره برداری زغال سنگ به کار برده می شود. در مواردی که ماده معدنی مورد نظر به صورت یک لایه افقی و در مناطق کوهستانی با دامنه های نسبتا پرشیب واقع باشد، می توان از این روش بهره برد. در شروع فرایند استخراج، یک برش اولیه در نزدیک جایی که ماده معدنی رخنمون کرده ایجاد می شود. سپس مواد باطله در پایین دره جمع آوری شده و ماده معدنی مورد نظر که در زیر باطله ها قرار دارد، استخراج می گردد. در مرحله بعد باطله حاصل از برش بعدی، در محل جمع آوری ماده معدنی استخراج شده، اصطلاحا دمپ می گردد. این فرایند تا جایی ادامه می یابد که در اثر آن، این قسمت ها به شکل تپه مانند های سینوسی در می آیند. در پایان ضخامت مواد باطله به حد معینی می رسد که دیگر استخراج به کمک این روش میسر نمی باشد.

پیشنهاد آرمیکو: حتما در این راه به تجهیزاتی مانند کمپرسور و دستگاه سیم برش احتیاج پیدا می‌کنید. حتما برای کسب اطلاعات و مشخصات فنی با ما همراه باشید.

استخراج معدن به روش برداشتن قله کوه (mountaintop removal) یک روش استخراج سطحی است که عموما برای استخراج زغال‌سنگ مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش، همان گونه که از نام آن پیداست، مراحل برداشتن قله کوه برای رسیدن به کانسارهای معدنی موجود در عمق و نهایتا استخراج آن ها انجام می گیرد. لازم به ذکر است، بیشتر ذخایر پلاسری به دلیل کم عمق بودن آن ها، با استفاده از روش ‌های سطحی از جمله روش برداشتن قله کوه استخراج می‌شوند.

از جمله معایب استفاده از این روش، ایجاد آلودگی و گرد و غبار در اثر انفجار و همچنین ایجاد آلودگی صوتی می باشد؛ البته به لطف دستگاهی به نام غبارگیر می‌توان میزان آلودگی را تا حدی زیادی کاهش داد. انجام عملیات احیا محل استخراج و ایجاد پوشش گیاهی در آن پس از اتمام عملیات استخراج، به جهت جلوگیری از فرسایش و نهایتا بروز سیلاب در منطقه ضروری و حائز اهمیت می باشد.

استخراج دیواره بلند، روش دیگری از استخراج سطحی است که از استخراج اوگری یا استخراج به کمک مته مارپیچ حاصل شده‌است. در استخراج دیواره بلند، درز رگه زغال‌ سنگ به وسیله یک دستگاه هیدرولیکی با مکانیزم انتقال تیر هیدرولیکی باز می‌گردد. در این روش، با استفاده از یک دستگاه تصویربرداری و یا سنسور اشعه گاما و همچنین سیستم‌های GeoRadar می توان رابط درز سنگ را تشخیص داد و ماده معدنی را استخراج نمود.

معدنکاران در روش های استخراج زیرسطحی معادن، از حفر تونل و یا استفاده از شافت جهت دستیابی به عمق زمین و نهایتا استخراج سنگ معدن بهره می برند. سنگ‌های معدنی، از طریق این تونل ‌ها و شافت‌ها فرآوری شده و تخته سنگ‌های باطله نیز، جهت دفع، به سطح زمین منتقل می شوند. روش های استخراج زیرسطحی را می توان با توجه به نوع شافت‌های دستیابی و همچنین روش‌های استفاده شده برای رسیدن به کانسار معدنی، طبقه‌بندی کرد. در ادامه به بررسی انواع آن ها می پردازیم.
-استخراج افقی(Drift mining ): در این روش،از تونل‌های دسترسی افقی استفاده می‌ شود.
استخراج شیب دار (Slope mining): در آن از شافت‌های دسترسی شیب دار استفاده می گردد.
استخراج عمودی (Shaft mining): از شافت‌های دسترسی عمودی جهت بهره برداری در آن استفاده می گردد.

این روش استخراج، متدهای گوناگونی در انواع بسترهای سخت و نرم دارد که شامل تکنیک های زیر می باشند:

در این روش استخراج معدن، تعدادی تونل‌ حفاری می گردد و همچنین ستون‌هایی جهت حفاظت از سقف نیز ایجاد می‌شود. پس از استخراج اتاق و ستون، معمولا استخراج عقب ‌نشینی انجام می‌شود. ستون‌های پشتیبانی با عقب ‌نشینی برداشته می‌شوند و اتاقک ‌ها تخریب می گردند که در نهایت سنگ معدن بیشتری استخراج می گردد.

این روش، یکی از روش‌های خاص استخراج از طبقات فرعی می باشد که به روش VCR موسوم است. در روش VCR کانسار‌های پرشیب مورد استفاده قرار می‌گیرند تا در قسمت های بالا و پایین ماده معدنی امکان ایجاد برش افقی وجود داشته باشد.

این روش از استخراج معدن، به منظور استخراج رو به بالا و نیز ایجاد اتاقک‌های زیرزمینی ذخیره‌سازی مورد استفاده قرار می گیرد.

این روش بسیار قدیمی استخراج زیرسطحی را می توان از جهاتی مشابه با روش اتاق و پایه دانست؛ با این تفاوت که در آن پایه‌ها از نظر شکل و ابعاد به گونه ای کاملا نامنظم و تصادفی قرار گرفته اند. ضخامت کانسارهای معدنی تحت عملیات در این روش حدودا بیشتر از شش متر می باشد.

این روش از استخراج معدن به جهت خرد نمودن سطح سنگ معدن با ابعاد بالا در زیرزمین مورد استفاده قرار می گیرد و نسبت به سایر متدها چندان رایج نمی باشد.

در این روش، محل استخراج مجددا به وسیله خاک و سنگ باطله پر می‌شود. کاربرد این روش در کانسارهایی با شیب بالا و مواد معدنی رگه‌ای تحت شرایط نامناسب و یا مواد‌ معدنی افقی با ضخامت زیاد می باشد. همچنین این روش برای کانسارهای غیرلایه‌ای مناسب ترین روش به جهت شرایط کاربرد و اجرا می باشد. در این روش، هر چه شیب کانسار زیادتر باشد، نتایج مطلوب‌تری حاصل می گردد.

یکی از روش‌های استخراج بدون نگهداری، روش استخراج از طبقات فرعی می‌باشد. این روش در معادن طلا، مس، روی، آهن، گوگرد، سرب، سنگ آهک و همچنین نیکل کاربرد دارد. موارد استفاده از این روش، شامل استخراج لایه ‌های فلزی با شیب بالای ۴۵ درجه می باشد و شرط لازم برای استفاده از آن، قسمت بالای مستحکم می‌باشد. معدن سرب و روی کوشک در کشورمان به این روش استخراج و مورد بهره برداری قرار گرفته است.

روش تخریب بلوکی از جمله روش های استخراج معدن توده ای می باشد که در آن معدنکاران با ایجاد برش، ناحیه‌ای با ابعاد مناسب را برداشته و به گونه‌ ای که توده بالایی به طور طبیعی تخریب گردد عملیات استخراج را انجام می دهند. در این روش، تخلیه مواد معدنی خرد شده از قسمت پایین ستون معدن انجام می شود. این امر باعث می شود که عمل تخریب به سمت بالا تا زمانی که تمام توده بالای افق زیر برش خرد گردد، ادامه پیدا کند. روش تخریب بلوکی به دلیل هزینه پایین و راندمان بالا، بسیار پرکاربرد بوده و توده ‌های معدنی بزرگی را میتوان به کمک آن استخراج نمود.

باید بدانیم همواره نکته حائز اهمیت در یک عملیات معدنکاری و استخراج معدن، استفاده از ماشین آلات و دستگاه هایی است که علاوه بر افزایش ایمنی و کاهش خطرات در حین عملیات، باعث بالا رفتن بازدهی و سرعت انجام فرایند استخراج معدن می شوند.

شرکت آرمیکو، سال ها در تلاش بوده است تا از طریق طراحی، ساخت و تولید دستگاه ها و تجهیزات مورد نیاز در حوزه معدن، خدمات ارزنده ای را در کشور انجام داده و به بهترین نحو پاسخگوی نیازهای کشور عزیزمان در این زمینه باشد. در ادامه به معرفی تعدادی از مهم ترین دستگاه های تولید شده توسط این شرکت می پردازیم.

مهم ترین ویژگی این دستگاه، توانایی طراحی و ساخت آن در ابعاد متفاوت می باشد که استفاده از آن را در شرایط گوناگون میسر می سازد. این دستگاه، قابلیت حفر گودال ها و چاه هایی با زوایای متفاوت را دارا می باشد.

به کمک کرگیری می توان قطعات مختلف زمین را تحت برش و یا نمونه برداری قرار داد.

ابعاد کوچک و وزن کم دستگاه حفاری راسول، استفاده از آن را در هر شرایطی در عملیات معدن امکان پذیر ساخته است. به دلیل سهولت در جابجایی و استقرار، این دستگاه بسیار پرکاربرد می باشد.

امروزه این دستگاه در مدل های مختلفی تولید می شود و جهت چالزنی عمودی مورد استفاده قرار می گیرد.